CN1854225A - 用于金属膜的cmp浆料、抛光方法以及制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于金属膜的CMP浆料，包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。

Description

用于金属膜的CMP浆料、抛光方法 以及制造半导体器件的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2005年4月28日提交的在先日本专利申请2005-132095的优先权，在此通过参考引入其整个内容。
技术领域
本发明涉及用于化学机械抛光(CMP)的浆料、抛光方法以及制造半导体器件的方法。具体地说，本发明涉及用于金属膜的CMP浆料、金属膜的抛光方法以及利用镶嵌布线制造半导体器件的方法。
背景技术
通过利用CMP已经形成将要安装在高性能LSI上的Cu镶嵌布线。
在该CMP中，抛光以两步进行，即主要进行Cu的研磨的第一抛光，和进行过剩金属和绝缘膜的研磨的第二抛光。在第一抛光中，在800nm/min或更大的速度下研磨Cu，同时基本上防止阻挡金属如Ta和Ti被研磨。在该第一抛光中需要将Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。当将要采用低k材料作为绝缘膜时，如果抛光摩擦很大，将发生膜的剥落或膜本身的破裂。因此，现在采用抛光摩擦固有地很大的常规CMP浆料变得很难。
同样，对于第二抛光，希望与第一抛光一样，在低摩擦下进行抛光，以增强抛光表面和抛光垫之间的亲合力，并减少Cu的划痕、Cu的腐蚀以及绝缘膜的划痕，从而抑制Cu的表面凹陷以及绝缘膜的侵蚀。因为常规基于聚硅氧烷的表面活性剂强烈地作用于采用的二氧化硅，即研磨颗粒，以产生其粗糙颗粒，所以很难抑制Cu或绝缘膜的划痕的产生并稳定抛光速度。
为了满足上述第一抛光和第二抛光中的需求，已经提出采用其中使用聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)的浆料。然而，无人成功获得稳定性优异同时能够抑制形成Cu镶嵌布线时Cu的表面凹陷或腐蚀和绝缘膜的划痕的浆料。因此，目前没有能够充分满足下一代LSI需求的性能的浆料。
发明内容
根据本发明的一方面的用于金属膜的CMP浆料包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量为20,000或更大的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
根据本发明的另一方面的抛光方法包括以下步骤：将具有金属膜的半导体衬底与粘附到转台的抛光垫接触；以及将金属膜CMP浆料供给到所述抛光垫上，以抛光所述金属膜，所述金属膜CMP浆料包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
根据本发明的另一方面的制造半导体器件的方法包括以下步骤：在半导体衬底上形成绝缘膜；在所述绝缘膜中形成凹槽；在所述凹槽内部以及在所述绝缘膜上沉积金属，以形成金属膜；以及通过利用金属膜CMP浆料的CMP，去除在所述绝缘膜上沉积的至少部分所述金属，所述金属膜CMP浆料包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
附图说明
图1是截面图，示出了根据本发明的一个实施例制造半导体器件的方法的一个步骤；
图2是截面图，示出了图1所示的步骤之后的下一步骤；
图3是透视图，示出了CMP的状态；
图4是截面图，示出了图2所示的步骤之后的下一步骤；
图5是截面图，示出了根据本发明的另一个实施例制造半导体器件的方法的一个步骤；以及
图6是截面图，示出了图5所示的步骤之后的下一步骤。
具体实施方式
下面，将说明本发明的实施例。
根据本发明的一个实施例的用于金属膜的CMP浆料包含聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，其具有20,000或更大的重量平均分子量。PVP的重量平均分子量可以通过例如含水凝胶渗透色谱(GPC)测量。重量平均分子量小于20,000的PVP不能减小抛光摩擦，从而很难抑制金属膜的表面凹陷或金属膜的腐蚀。此外，很难确保抛光的稳定性。如下所述，只要可以保持浆料的粘度小于2mPa·sec，对PVP的重量平均分子量的上限没有任何具体限制。然而，如果PVP的重量平均分子量增加，趋于很难获得金属膜的实用抛光速度。在一些情况下，重量平均分子量过大的PVP会引起浆料供给装置内部胶体二氧化硅的聚集，导致由该聚集二氧化硅引起的Cu的划痕的产生。考虑到这些事实，希望确定PVP的重量平均分子量的上限。
浆料的粘度可以基于PVP的平均分子量和含量大致确定。根据本发明的一个实施例的用于金属膜的CMP浆料中PVP的含量限定在基于CMP浆料的总量0.01至0.3wt％的范围。如果PVP的含量小于0.01wt％，不能确保减小抛光摩擦的效果，从而导致抛光垫的温度上升。结果，将更易于发生停止抛光(CMP停止)的现象。另外，将降低Cu的过镀覆部分处浆料的Cu去除作用。另一方面，如果PVP的含量超过0.3wt％，很难抑制Cu的腐蚀。此外，浆料的粘度会大于2mPa·sec，因此很难以稳定的方式将浆料供给到抛光垫。在这种情况下，会发生抛光垫温度上升或抛光不均匀(面内均匀性的降低)，从而引起Cu抛光速度或Cu的表面凹陷不均匀。另外，在研磨例如铜的布线金属同时保留阻挡金属的第一抛光中将要采用的浆料中，PVP的含量应该优选限定在基于浆料的总量0.03至0.3wt％的范围内。此外，在研磨阻挡金属以暴露绝缘膜的第二抛光中将要采用的浆料中，PVP的含量应该优选限定在基于浆料的总量0.01至0.1wt％的范围内。
具体地，优选在浆料中基于浆料的总量以0.01至0.1wt％的比率结合重量平均分子量为40,000或更大的PVP。在这种情况下，在第一抛光中可以实现低摩擦、高抛光速度和低阻挡金属抛光速度。另外，可以抑制Cu的表面凹陷和绝缘膜的侵蚀，从而可以减小缺陷例如Cu的腐蚀和划痕。而且，可以增强对Cu的过镀覆部分的Cu抛光作用，从而可以提高抛光稳定性和抛光速度的均匀性。同样，在第二抛光中，可以实现低摩擦并抑制Cu的表面凹陷和绝缘膜的侵蚀。另外，可以减小缺陷例如Cu的腐蚀和划痕，从而可以提高抛光稳定性和抛光速度的均匀性。
只要可以满足上述关于PVP的重量平均分子量和含量的条件，根据本发明的一个实施例，在用于金属膜的CMP浆料中可以结合重量平均分子量相互不同的两种或多种PVP。
对于氧化剂，可以采用选自如下的至少一种：过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化氢、硝酸铁、硝酸二铵铈、硫酸铁、臭氧和高碘酸钾。考虑到氧化作用、与保护膜的兼容性和容易处理，优选使用过硫酸铵、过硫酸钾和过氧化氢。氧化剂的含量应优选限定在基于CMP浆料的总量0.05至5wt％的范围内。如果氧化剂的含量低于0.05wt％，很难确保足够的抛光速度。另一方面，如果氧化剂的含量高于5wt％，则过分地增加金属膜例如Cu膜的腐蚀和表面凹陷。更优选地，氧化剂的含量应限定在基于CMP浆料的总量0.08至3wt％的范围内。
保护膜形成剂由用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂组成。另外，术语“水不溶性”表示材料基本上不溶于水，从而如果在络合剂与氧化剂共存的条件下将湿法蚀刻速度限定到小于3nm/min，难溶于水的材料将包括在“水不溶性”的定义中。另一方面，术语“水溶性”表示湿法蚀刻速度不低于3nm/min。保护膜形成剂的含量应该优选限定在基于CMP浆料的总量0.001至3.0wt％的范围内。如果保护膜形成剂的含量低于0.001wt％，很难将Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。另一方面，如果保护膜形成剂的含量超过3.0wt％，则降低抛光速度。更优选地，保护膜形成剂的含量应该限定在基于CMP浆料的总量0.05至2.0wt％的范围内。
对于用于与金属例如Cu一起形成不溶于水或难溶于水的络合物的第一络合剂，可以采用杂环化合物，其包括包含至少一个N原子的复合(complex)六元环或五元环。更具体地，可以采用喹哪啶酸、喹啉酸、苯并三唑、苯并咪唑、7-羟基-5-甲基-1，3，4-三氮吲哚利嗪、烟酸和吡啶甲酸。
此外，在阴离子表面活性剂中，其中的一些可以用作第一络合剂。例如，可以采用烷基苯磺酸盐，例如十二烷基苯磺酸钾和十二烷基苯磺酸铵。
第一络合剂的含量应该优选限定在基于CMP浆料的总量0.0005至2.0wt％的范围内。如果第一络合剂的含量低于0.0005wt％，则过分地增加Cu的表面凹陷。另一方面，如果第一络合剂的含量超过2.0wt％，不能确保足够高的Cu抛光速度。更优选地，第一络合剂的含量应该限定在基于CMP浆料的总量0.0075至1.5wt％的范围内。
另一方面，用于形成水溶性络合物的第二络合剂实现抛光加速剂的作用。第二络合剂的实例包括氨基酸，例如甘氨酸、丙胺酸和色氨酸。此外，也可以采用能够呈现与抛光加速剂相同效果的有机酸。该有机酸的实例包括蚁酸、乳酸、醋酸、酒石酸、富马酸、乙二醇酸、邻苯二甲酸、马来酸、草酸、柠檬酸、苹果酸、丙二酸、谷氨酸等。也可以采用碱式盐如氨、乙二胺、四甲基氢氧化铵(TMAH)等。
第二络合剂的含量应该优选限定在基于CMP浆料的总量0.0005至2.0wt％的范围内。如果第二络合剂的含量低于0.0005wt％，不可能以足够高的抛光速度抛光Cu。另一方面，如果第二络合剂的含量超过2.0wt％，则过分地发生Cu的表面凹陷和Cu的腐蚀。更优选地，第二络合剂的含量应该限定在基于CMP浆料的总量0.0075至1.5wt％的范围内。
第一和第二络合剂可以单独采用，或组合其两种或多种。
在本发明的该实施例中，胶体二氧化硅的初级颗粒直径限定在5至50nm的范围内。如果胶体二氧化硅的初级颗粒直径小于5nm，则研磨作用将变得不均匀，因此很难均匀地研磨各种图形。另外，由于胶体二氧化硅的分散稳定性降低，使其很难持续使用。另一方面，如果胶体二氧化硅的初级颗粒直径超过50nm，很难将抛光表面的表面粗糙度Ra控制到3nm或更低，并将导致表面凹陷或划痕的增加。抛光表面的Ra限定在3nm或更小将是可以接受的，其可以通过原子力显微镜(AFM)确认。
对于初级颗粒直径在5至50nm范围的胶体二氧化硅，可以采用初级颗粒直径为5nm或更大以及缔合度为5或更小的胶体二氧化硅。术语“缔合度”表示通过使由初级颗粒的聚集体构成的二级颗粒的直径除以初级颗粒的直径(二级颗粒直径/初级颗粒直径)获得的值。这里，缔合度的值为1表示系统仅由单分散的初级颗粒构成。二级颗粒的直径可以通过动态光散射方法、激光衍射方法或电子显微镜方法测量。当颗粒的缔合度超过5时，在使用包含该缔合度的胶体二氧化硅作为抛光颗粒的浆料的抛光步骤中，在抛光表面上会产生划痕或侵蚀。
初级颗粒直径(d1)在5至20nm范围(5≤d1≤20)的第一胶体二氧化硅可与初级颗粒直径(d2)在大于20至50nm范围(20＜d2≤50)的第二胶体二氧化硅结合，从而可以使用它们作为初级颗粒直径在5至50nm范围的胶体二氧化硅。在此情况下，在总的第一胶体二氧化硅和第二胶体二氧化硅中，第一胶体二氧化硅的重量比应该优选限定在0.6至0.9。如果第一胶体二氧化硅的重量比小于0.6，所得的胶体二氧化硅呈现仅仅第二胶体二氧化硅的CMP特性。结果，抛光表面的Ra超过3nm，导致产生粗糙表面。另外，也很难将表面凹陷抑制在20nm或更小。另一方面，如果第一胶体二氧化硅的重量比超过0.9，所得的胶体二氧化硅呈现仅仅第一胶体二氧化硅的CMP特性，导致抛光作用的降低。
胶体二氧化硅的含量应该优选限定在基于CMP浆料的总量0.05至10wt％的范围内，更优选限定在0.1至5wt％的范围内。如果胶体二氧化硅的含量小于0.05wt％，不能确保充分高的抛光作用。另一方面，如果胶体二氧化硅的含量超过10wt％，则增加Cu的划痕或表面凹陷。
除上述胶体二氧化硅外，在浆料中还可以包括有机颗粒。对于有机颗粒，可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯等。有机颗粒可与上述胶体二氧化硅结合以形成复合颗粒。
根据本发明的一个实施例的用于金属膜的CMP浆料必要时可包括表面活性剂。对于表面活性剂，优选使用平均分子量小于PVP的非离子表面活性剂。当在浆料中包括不同于PVP的高分子化合物时，将发生各种不便。
例如，抛光速度将大幅降低或抛光表面的表面凹陷大量增加。对于在此情况下有用的表面活性剂，可以采用具有三键的非离子表面活性剂，其实例包括乙炔乙二醇(acetylene glycol)、乙炔乙二醇的氧化乙烯加合物、炔属醇等。也可以采用基于聚硅氧烷表面活性剂、聚乙烯醇、环糊精、聚乙烯基甲基醚、羟乙基纤维素等。此外，可以结合阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂。对于阴离子表面活性剂，可以采用，例如，脂族皂、硫酸酯、磷酸酯等。对于阳离子表面活性剂，可以采用，例如，脂肪胺盐、脂族铵盐等。上述表面活性剂可以单独采用，或组合两种或多种。
表面活性剂的含量应该优选限定在基于CMP浆料的总量0.001至0.5wt％的范围内。如果表面活性剂的含量在这个范围之外，很难充分抑制Cu的表面凹陷。更优选地，表面活性剂的含量应该限定在基于CMP浆料的总量0.05至0.3wt％的范围内。
对于根据本发明的一个实施例的浆料的pH，没有任何特别限制，因此可以根据具体应用进行调节。例如，pH调节剂例如氢氧化钾可以被添加到浆料中以调节碱度。
(实施例1)
接下来，将参考图1和图2说明本实施例。
首先，如图1所示，在其上形成有半导体元件(未示出)的半导体衬底10上形成SiO2绝缘膜11，并形成栓塞13，其中阻挡金属12置于绝缘膜11和栓塞13之间。利用TiN形成阻挡金属12，并利用W作为其材料形成栓塞13。然后，在该绝缘膜11和栓塞13上，依次沉积第一低介电常数绝缘膜14和第二低介电常数绝缘膜15，以形成层叠绝缘膜。该第一低介电常数绝缘膜14可以由相对介电常数小于2.5的低介电常数绝缘材料构成。例如，该第一低介电常数绝缘膜14可以由选自如下的至少一种形成：具有硅氧烷骨架，例如聚硅氧烷、氢硅倍半氧烷(hydrogen silsesquioxane)、聚甲基硅氧烷、甲基硅倍半氧烷(methyl silsesquioxane)等的膜；包含有机树脂例如聚亚芳基醚、聚苯并唑、聚苯并环丁烯等作为主要成分的膜；以及多孔膜，例如多孔二氧化硅膜等。这里，利用LKD(可以从JSR Co.，Ltd.获得)形成第一低介电常数绝缘膜14。
在第一低介电常数绝缘膜14上将要沉积的第二低介电常数绝缘膜15作为覆层绝缘膜，并可以利用相对介电常数大于第一低介电常数绝缘膜14的绝缘材料形成。例如，可以采用相对介电常数为2.5或更大并选自例如TEOS(四乙氧基硅烷)、SiC、SiCH、SiCN、SiOC和SiOCH的至少一种绝缘材料形成该第二低介电常数绝缘膜15。这里，利用SiOC形成第二低介电常数绝缘膜15。
然后，形成布线沟槽A作为凹槽，以穿入第二低介电常数绝缘膜15和第一低介电常数绝缘膜14。然后，根据常规方法在整个表面上依次沉积厚度为5nm的Ta膜作为阻挡金属16和厚度为800nm的Cu膜17。在此情况下，金属膜18由阻挡金属16和Cu膜17构成。利用宽度为60nm的细布线和宽度为75μm的宽布线形成布线沟槽“A”。细布线的密度设定在单个(loneness)到50％的覆盖率的范围，而宽布线的密度设定在单个到95％的覆盖率的范围。另外，术语“单个”是指在1mm2的区域中仅存在一个布线。然后，通过CMP去除构成金属膜18的部分的Cu膜17，从而保留在布线沟槽“A”中选择性掩埋的Cu膜17，以暴露阻挡膜16的表面，如图2所示。
如下进行Cu膜17的CMP。也就是，首先，如图3所示，在以100rpm的速度旋转具有粘附到其上的抛光垫21的转台20的同时，使保持半导体衬底22的顶环23在200gf/cm2的抛光负荷下与转台20接触。顶环23的旋转速度设定为105rpm，并且将浆料27从浆料供给管口25以200cc/min的流速供给到抛光垫21上。
另外，顶环23的抛光负荷可以选自10-1,000gf/cm2的范围，其优选范围是30-500gf/cm2。此外，转台20和顶环23的旋转速度可选地选自10到400rpm的范围，其优选范围是30到150rmp。浆料27从浆料供给管口的供给速度可以选自10-1,000cc/min的范围，其优选范围是50-400cc/min。
在该抛光中，可以采用如下所述的各种浆料，并且可以采用IC1000(Rodel Co.，Ltd.)作为抛光垫。另外，图3也示出了水供给管口24和修整工具(dresser)26。
如下制备在抛光Cu膜时使用的浆料。首先，根据如下配方混合各成分和去离子水，以获得浆料的原料液体。另外，各成分的含量表示基于浆料的总量的比率。
氧化剂：过硫酸铵＝1.5wt％
保护膜形成剂：
水不溶性(第一)络合剂：喹哪啶酸＝0.2wt％；喹啉酸＝0.3wt％；十二烷基苯磺酸钾＝0.05wt％。
水溶性(第二)络合剂：甘氨酸＝0.3wt％；从过硫酸铵中解离的氨。
胶体二氧化硅：0.4wt％的缔合度为2并且初级颗粒直径为20nm的胶体二氧化硅；以及0.1wt％的缔合度为2并且初级颗粒直径为38nm的胶体二氧化硅。
此外，通过使用氢氧化钾，把浆料的pH调节为9。
对于水溶性聚合物化合物，制备基于炔属二醇的非离子(ACD)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、纤维素(HEC)、聚乙基亚胺(PEI)、聚烷基醚(PAE)、和作为聚丙烯酸脂的聚丙烯酸钾(PAK)。这些水溶性聚合物化合物的分子量都设定为45,000。
仅利用浆料的上述原料液体而没有结合水溶性聚合物化合物制备浆料No.1。利用具有在下面的表1中示出的配方的水溶性聚合物化合物制备浆料No.2-15。
            表1
No.   添加剂
  种类   含量(wt％)
  1   无   无
  2 ACD   0.1
  3   0.3
  4 PVP   0.1
  5   0.3
  6 PVA   0.1
  7   0.3
  8 HEC   0.1
  9   0.3
  10 PEI   0.1
  11   0.3
  12 PAE   0.1
  13   0.3
  14 PAK   0.1
  15   0.3
通过利用表1中示出的15种浆料，在上述条件下进行Cu膜17的CMP，从而研究Cu的抛光速度、CMP的停止、工作台电动机的电流以及Cu的表面凹陷。
通过对厚度为2000nm的Cu固态膜抛光60秒之后测量Cu固态膜的表面电阻，计算Cu的抛光速度。呈现800nm/min或更大的Cu抛光速度的样品标记为符号“○”，以及呈现小于800nm/min的Cu抛光速度的样品标记为符号“×”。
通过连续抛光25个厚度为2000nm的Cu固态膜，确定CMP的停止。能够完成25个Cu固态膜的抛光的样品标记为符号“○”，以及在该连续抛光期间停止抛光的样品标记为符号“×”。
在抛光期间工作台电动机的电流反映抛光负荷，因此工作台电动机的电流值越小，可以用于进行抛光的抛光负荷越低。此外，即使在低抛光负荷下进行抛光，当抛光摩擦大时，工作台电动机的电流将增加。如果工作台电动机的电流超过8A，膜的剥落将急剧地增加。在本实施例中，在上述条件下对厚度为2000nm的Cu固态膜进行CMP时获得的最大值假定为工作台电动机的电流。工作台电动机的电流不高于8A的样品标记为符号“○”，以及工作台电动机的电流高于8A的样品标记为符号“×”。
在Cu的表面凹陷的确定中，基于在去除Cu之后使阻挡金属暴露所需的CMP的时间段，进行50％的过抛光，并通过AFM确定所得台阶部分的高度。表面凹陷的量不大于20nm的样品标记为符号“○”，以及表面凹陷的量大于20nm的样品标记为符号“×”。
通过使用每种浆料获得的结果总结在下面的表2中。
                             表2
  No. Cu抛光速度(nm/min) CMP停止 工作台电动机的电流(A)   Cu的表面凹陷(nm)
  1   ○   ×   ×   ×
  2   ○   ×   ×   ○
  3   ○   ×   ×   ×
  4   ○   ○   ○   ○
  5   ○   ○   ○   ○
  6   ×   ○   ○   ○
  7   ×   ○   ○   ○
  8   ○   ○   ○   ×
  9   ○   ○   ○   ×
  10   ○   ○   ○   ×
  11   ○   ○   ○   ×
  12   ○   ○   ×   ○
  13   ○   ○   ×   ○
  14   ○   ○   ○   ×
  15   ○   ○   ○   ×
因为浆料No.1不包括水溶性聚合物化合物，浆料在三个方面不良(NG)，即，CMP停止、工作台电动机的电流和Cu的表面凹陷。从这个结果可以发现，为了提高这些特征有必要在浆料中结合水溶性聚合物化合物。在浆料No.2和No.3中采用的ACD是在常规浆料中采用的水溶性聚合物化合物。当采用这样的常规浆料时，CMP停止和工作台电动机的电流发现是NG。对于Cu的表面凹陷，发现它依赖于ACD的含量，因此，在ACD的含量为0.1wt％的样品中，发现结果是OK，但是在ACD的含量为0.3wt％的样品中，发现结果是NG。在结合PVP的样品No.4和No.5中，就本系统而言，发现所有项目均为OK并且不依赖于水溶性聚合物化合物的含量。然而，在结合其它种类的水溶性聚合物化合物的样品No.6-15中，没有样品能够满足所有项目，包括Cu的抛光速度、CMP停止、工作台电动机的电流、以及Cu的表面凹陷。从上述结果中已经证实PVP具有优良的作为水溶性聚合物化合物的特性。
然后，比较样品No.2与样品No.4，其中比较项目包括：在Cu镀覆中导致产生的过镀覆部分处的Cu抛光作用、Cu抛光速度的面内均匀性、阻挡金属的抛光速度、以及绝缘膜的抛光速度。在大规模的细布线区域引起过镀覆的产生。具体地说，在布线宽度为60nm、覆盖率为50％以及面积为2mm2的区域引起过镀覆的产生。通过AFM测量在Cu膜的抛光之后在该区域中产生的台阶部分的量，以评价Cu的抛光作用。以如下方式确定Cu抛光速度的面内均匀性：测量并通过3σ评价在直径为300mm的晶片的半径方向上以5mm的间隔互相隔开的59个点的表面电阻。对于阻挡金属，采用Ta和Ti。对于绝缘膜，基于SiO2对其进行研究。由此获得的结果总结在下面的表3中。
                                  表3
No.   台阶部分(nm)   面内均匀性(％)   抛光速度(nm/min)
  Ta   Ti   SiO2
  2   10～22   11.2％   4.9   13   2.2
  4   0   7.8％   1   4   2
对于过镀覆部分的Cu抛光作用，可以如下进行说明。当在布线宽度为0.1μm或更小的细布线区域进行Cu镀覆时，相对于场区域凸起地形成Cu膜。在本实施例中，在过镀覆部分的凸起的高度约为250nm。当通过AFM测量在利用浆料No.2的CMP之后形成的台阶部分时，发现残留厚度为10-22nm的Cu薄膜。由于该残留的Cu薄膜，镶嵌布线在其上部通过Cu互相连接。在下一步的第二抛光(修整CMP)中需要除去该残留的薄膜。然而，因为布线的深度浅，在第二抛光中的研磨量需要尽可能的小，以使不同宽度的布线的深度一致。因此，在采用常规浆料的情况下，即使在第二抛光中也不能完全去除残留的Cu薄膜。即使可以除去残留的Cu薄膜，也很难控制宽度为60nm的细布线和宽度为75μm的宽布线，以使它们具有期望深度。因为这个原因，当第一抛光完成时，在半导体衬底上的Cu膜的凹陷/凸出部分需要尽可能的小。然而，在采用浆料No.4的情况下，完成CMP之后的台阶部分(残留Cu膜的厚度)为0nm，使之最终是希望的。
关于Cu抛光速度的面内均匀性，浆料No.4也是优良的。因为这个原因，可以使完成的布线均匀，因此可以缩短过抛光的时间段。因为过量的过抛光导致Cu腐蚀的发生，可以通过利用浆料No.4避免这种问题。
在第一抛光中，阻挡金属和绝缘膜的抛光速度期望尽可能的小。因为，当阻挡金属和绝缘膜的抛光速度与Cu的抛光速度之间的比率(选择性比率)增加时，可以抑制Cu的表面凹陷。浆料No.4在减小阻挡金属(Ta、Ti)和绝缘膜(SiO2)的抛光速度方面是有效的。因此，可以通过采用该浆料，实现理想的第一抛光。
此外，只要在浆料中结合PVP，在样品No.2、3、6-15中采用的水溶性聚合物化合物也可以在浆料中添加结合。例如，为进一步降低抛光摩擦，在浆料中可以添加结合PVA、PAK或ACD。此外，为进一步提高Cu的抗侵蚀性，在浆料中可以附加结合ACD或PVA。在任何情况下，不会劣化PVP的上述效果。
(实施例2)
通过利用在上述实施例1中制备的原料液体和通过以在下面的表4中示出的混合比率混合重量平均分子量不同的PVP，制备浆料No.16-50。
            表4
  No.   分子量   含量(wt％)
  16 10,000   0.01
  17   0.03
  18   0.05
  19   0.1
  20   0.3
  21   0.5
  22   0.7
  23 20,000   0.01
  24   0.03
  25   0.05
  26   0.1
  27   0.3
  28   0.5
  29   0.7
  30 40,000   0.01
  31   0.03
  32   0.05
  33   0.1
  34   0.3
  35   0.5
  36   0.7
  37 100,000   0.01
  38   0.03
  39   0.05
  40   0.1
  41   0.3
  42   0.5
  43   0.7
  44 200,000   0.01
  45   0.03
  46   0.05
  47   0.1
  48   0.3
  49   0.5
  50   0.7
通过利用各浆料，在实施例1中所述的相同条件下进行Cu膜的抛光，从而研究Cu的抛光速度、CMP的停止、工作台电动机的电流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蚀。
Cu的腐蚀可以这样评价，每1cm2的Cu腐蚀不多于10个部分的样品标记为符号“○”，以及每1cm2的Cu腐蚀多于10个部分的样品标记为符号“×”。对于其它项目，以与实施例1中所述的相同方式评价。获得的结果总结在下面的表5中，其中也示出了通过Brookfield粘度计测量的各浆料的粘度。
                             表5
  No. 抛光速度(nm/min) CMP停止   工作台电动机的电流(A)   表面凹陷(nm)   腐蚀(数目)   粘度(mPa·sec)
  16   ○   ○   ×   ×   ×   1.1
  17   ○   ○   ×   ×   ×   1.1
  18   ○   ○   ×   ×   ×   1.2
  19   ○   ○   ×   ×   ×   1.3
  20   ○   ○   ×   ×   ×   1.5
  21   ○   ○   ○   ×   ×   1.6
  22   ○   ○   ○   ×   ×   1.8
  23   ○   ○   ×   ×   ×   1.1
  24   ○   ○   ○   ○   ○   1.1
  25   ○   ○   ○   ○   ○   1.2
  26   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  27   ○   ○   ○   ○   ○   1.5
  28   ○   ○   ○   ○   ×   1.6
  29   ○   ○   ○   ○   ×   1.8
  30   ○   ○   ○   ○   ○   1.1
  31   ○   ○   ○   ○   ○   1.2
  32   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  33   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  34   ○   ○   ○   ○   ○   1.6
  35   ○   ○   ○   ○   ×   1.8
  36   ○   ○   ○   ○   ×   1.9
  37   ○   ○   ○   ○   ○   1.2
  38   ○   ○   ○   ○   ○   1.2
  39   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  40   ○   ○   ○   ○   ○   1.4
  41   ○   ○   ○   ○   ○   1.7
  42   ×   ○   ○   ○   ○   2.0
  43   ×   ○   ○   ×   ×   2.2
  44   ○   ○   ○   ○   ○   1.2
  45   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  46   ○   ○   ○   ○   ○   1.3
  47   ○   ○   ○   ○   ○   1.5
  48   ○   ○   ○   ○   ○   1.9
  49   ×   ○   ○   ×   ×   2.2
  50   ×   ○   ○   ×   ×   2.4
该表示出了对于PVP的重量平均分子量和含量的优选范围。为全部满足Cu的抛光速度、CMP的停止、工作台电动机的电流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蚀，PVP的重量平均分子量应限定至20,000或更多。如果PVP的重量平均分子量小于20,000，不能适当地控制工作台电动机的电流、Cu的表面凹陷和Cu的腐蚀。另一方面，对于PVP的重量平均分子量的上限，已经证实只要浆料的粘度限定至小于2mPa·sec，PVP的重量平均分子量限定至不大于200,000时可以获得优良的结果。
如果浆料的粘度限定至小于2mPa·sec，浆料的粘度几乎和水的一样，从而浆料的粘度可以被认为近似恒定而不依赖于浆料的剪切(shearing)速度。低粘度的浆料可以稳定的方式供给到抛光垫，从而避免在金属膜的或绝缘膜的表面上产生缺陷的任何可能性。结果，可以低摩擦地稳定和均匀地抛光金属膜。在浆料呈现2mPa·sec或更高的粘度的情况下，不能获得这些效果。因为随着浆料的粘度降低，金属膜的表面将变得良好，因此浆料的粘度应该优选为1.5mPa·sec或更小。另外，尽管对于浆料的粘度的下限没有任何特定限制，因为采用去离子水作为分散媒介，浆料的粘度通常将变为1mPa·sec或更大。
另一方面，PVP的含量的最佳范围将依赖于其重量平均分子量而略微不同。例如，当PVP的重量平均分子量为20,000时，PVP的含量的最佳范围可以从0.05至0.3wt％。当PVP的重量平均分子量为40,000时，PVP的含量的最佳范围可以从0.01至0.3wt％。此外，即使当PVP的重量平均分子量为100,000或200,000时，PVP的含量的最佳范围可以从0.01至0.3wt％。也就是，随着浆料的重量平均分子量变大，PVP的含量的最佳范围趋向于减小。
当在浆料中以范围从基于浆料的总量0.01至0.1wt％的量结合重量平均分子量为40,000或更大的PVP时，可以满足浆料的所有期望特性。此外，浆料的粘度可限定在1.5mPa·sec或更小的优选范围。更具体地，在这种情况下，在第一抛光中可以实现低摩擦、高抛光速度和低阻挡金属抛光速度。另外，可以抑制Cu的表面凹陷和绝缘膜的侵蚀，因而可以使缺陷例如Cu的腐蚀和划痕最小化。此外，可以增强在Cu的过镀覆部分处Cu的抛光作用，因而可以提高抛光稳定性和抛光速度的均匀性。同样在第二抛光中，可以实现低摩擦和抑制Cu的表面凹陷以及绝缘膜的侵蚀。关于阻挡金属的抛光速度，PVP的上述范围是实用的，因而不会产生任何问题。另外，可以使缺陷例如Cu的腐蚀和划痕最小化，因而可以提高抛光稳定性和抛光速度的均匀性。
只要满足这样的条件，即浆料包括以范围从基于浆料的总量0.01至0.3wt％的量、其重量平均分子量为20,000或更大的至少一种PVP，则在浆料中可以结合重量平均分子量相互不同的两种或多种PVP。在这种情况下，也可以获得与上述几乎相同的效果。如果由于浆料的pH或强电解质的添加的影响很难保持浆料的低粘度，可以通过在浆料中结合约为10,000的低分子量的PVP进行调节。
为了进行比较，浆料如下制备并用于在上述相同条件下抛光Cu膜，从而研究浆料的特性。更具体地，根据与浆料No.33相同的配方制备浆料No.51，但是浆料中不结合胶体二氧化硅。此外，根据与浆料No.33相同的配方制备三种浆料，但是采用初级颗粒尺寸不同的0.5wt％的胶体二氧化硅。更具体地，通过利用初级颗粒直径为3nm的胶体二氧化硅，制备浆料No.52，通过利用初级颗粒直径为60nm的胶体二氧化硅，制备浆料No.53，以及通过利用初级颗粒直径为100nm的胶体二氧化硅，制备No.54。
在不含有胶体二氧化硅的浆料(No.51)的情况下，抛光作用变得不均匀，因此不能均匀地研磨各种宽度的图形。同样在胶体二氧化硅的初级颗粒直径小的浆料(No.52)的情况下，获得与样品No.51几乎相同的结果。在其初级颗粒直径为60nm的浆料(No.53)的情况下，表面凹陷和划痕变得突出，超过了其实用范围。如果胶体二氧化硅的初级颗粒直径进一步增加(No.54)，很难将抛光表面的Ra减小至3nm或更小，同时，表面凹陷和划痕的量也显著增加，超过可接受的范围。
在上述实施例1和2中，在Cu-CMP中需要的条件假定如下，并且注意可以满足这些条件的浆料。也就是，需要这样的浆料，以使Cu的抛光速度不低于800nm/min、在抛光期间CMP不停止、在抛光期间工作台电动机的电流为8A或更小，以及可以将Cu的表面凹陷抑制到20nm或更小。
在Cu-CMP中需要的条件并不限于上述情况。也就是，根据期望的条件，可确定浆料的成分。例如，即使Cu的抛光速度低于800nm/min，如果Cu的表面凹陷需要进一步减小到不大于10nm，胶体二氧化硅的总含量可以从0.5减小至0.1wt％。可选地，在此情况下，采用将胶体二氧化硅的初级颗粒直径减小至约5-10nm的方法也是有效的。例如，可以互相结合利用两种胶体二氧化硅，即，缔合度为1.5、初级颗粒直径为5nm的0.4wt％的胶体二氧化硅，和缔合度为1.5、初级颗粒直径为25nm的0.1wt％的胶体二氧化硅。可选地，可以降低抛光负荷。在任意一种情况下，即使Cu的抛光速度可以减小到约550nm/min，因为超过需要的机械作用不影响抛光表面，这些条件适合形成100nm或更浅的Cu镶嵌布线。
另一方面，如果需要在即使Cu的表面凹陷超过20nm的情况下提高Cu的抛光速度，采用改变保护膜形成剂含量的方法可以是有效的。在不含有PVP的常规浆料的情况下，例如，包含0.5wt％的喹啉酸和0.05wt％的十二烷基苯磺酸钾作为水不溶性络合剂，以及包含0.3wt％的丙胺酸作为水溶性络合剂。此外，结合作为氧化剂的过硫酸铵在pH超过8的碱性区域产生氨，因此能够用它作为水溶性络合剂。在具有该成分的常规浆料的情况下，即使Cu的抛光速度变为1200nm/min，Cu的表面凹陷将增加到55nm。当以0.1wt％的量将重量平均分子量为40,000的PVP结合到该常规浆料中时，Cu的表面凹陷可以抑制到30nm。此外，Cu的抛光速度可以提高到1300nm/min。
如上所述，通过利用根据本发明的实施例的含有PVP的浆料，可以满足最新的半导体器件的标准。此外，即使在浆料用于制造现代或上一代半导体器件的情况下，通过在其中结合PVP，可以改善这些浆料的特性。
(实施例3)
接下来，将参考图2和4说明本实施例。
首先，通过利用与上述实施例1中采用的相同材料，沉积各具有与实施例1中相同的厚度的绝缘膜等，以获得如图1所示的结构。然后，在实施例2中规定的条件下利用浆料No.33进行第一抛光，以暴露阻挡金属16的表面，如图2所示。此外，进行第二抛光(修整CMP)，以暴露第二低介电常数绝缘膜15的表面，如图4所示。
如下进行修整CMP。也就是，首先，如图3所示，当以100rpm的速度旋转具有粘附到在其上的抛光垫21的转台20时，使保持半导体衬底22的顶环23以200gf/cm2的抛光负荷接触转台20。顶环23的旋转速度设定为105rpm，并且将浆料27以200cc/min的流速从浆料供给管口25供给到抛光垫21上。利用如下面所述的各种浆料并且利用IC1000(RodelCo.，Ltd.)作为抛光垫，进行90秒的抛光。
如下制备在修整抛光中利用的浆料。首先，根据如下配方混合各成分和去离子水，以获得浆料的原料液体。另外，各成分的含量表示基于浆料的总量的比率。
氧化剂：过氧化氢＝0.1wt％。
保护膜形成剂：喹啉酸＝0.3wt％；马来酸＝0.3wt％。
胶体二氧化硅：3.5wt％的缔合度为2并且初级颗粒直径为30nm的胶体二氧化硅。
此外，通过利用氢氧化钾，将浆料的pH值调节为10.5。
作为水溶性聚合物化合物，制备PVP(40,000的重量平均分子量)以及HLB值为13的非离子聚硅氧烷。利用GPC由表面活性剂的洗提体积(eluted volume)计算HLB值。仅仅利用没有结合水溶性聚合物化合物的浆料的上述原料液体制备浆料No.55。根据如下面表6所示的配方制备浆料No.56-71。
           表6
  No.   添加剂   含量(wt％)
  55   -   无
  56 PVP40,000   0.005
  57   0.01
  58   0.03
  59   0.05
  60   0.1
  61   0.3
  62   0.5
  63   0.7
  64 聚硅氧烷   0.005
  65   0.01
  66   0.03
  67   0.05
  68   0.1
  69   0.3
  70   0.5
  71   0.7
在本实施例中PVP的含量限定在基于浆料的总量0.005至0.7wt％的范围内，如表6所示。该含量范围对应于胶体二氧化硅的重量的1.43至20wt％的范围。只要PVP的含量限定在基于浆料的总量0.01至0.3wt％的范围内，可以适当地改变PVP与胶体二氧化硅的重量的比率。
通过使用如表6所示的17种浆料，在上述条件下进行修整CMP，从而研究工作台电动机的电流、Cu的表面凹陷、绝缘膜的侵蚀、Cu的缺陷和绝缘膜的缺陷。
判断绝缘膜的侵蚀，从而当侵蚀的量不大于20nm时，样品标记为符号“○”，以及当侵蚀的量大于20nm时，样品标记为符号“×”。通过利用仪器(KLA-Tenchol Co.，Ltd.)观察1cm×1cm的区域，确定Cu的缺陷，其中呈现Cu的侵蚀和划痕的总量不多于10部分的样品标记为符号“○”，以及呈现Cu的侵蚀和划痕的总量多于10部分的样品标记为符号“×”。利用仪器(KLA-Tenchol Co.，Ltd.)观察1cm×1cm的区域，确定绝缘膜的缺陷，其中其上的沉积物和划痕的总量不多于10部分的样品标记为符号“○”，以及其上的沉积物和划痕的总量多于10部分的样品标记为符号“×”。另外，术语“在绝缘膜上的沉积物”是指在绝缘膜上削下的沉积物等。对于工作台电动机的电流和Cu的表面凹陷，以与上述相同的方式评价。
使用各浆料获得的结果总结在下面的表7中。
                         表7
  No. 工作台电动机的电流(A)   表面凹陷(nm)   侵蚀(nm)   Cu的缺陷(数目)   绝缘膜的缺陷(数目)
  55   ×   ○   ×   ×   ×
  56   ×   ○   ×   ○   ○
  57   ○   ○   ○   ○   ○
  58   ○   ○   ○   ○   ○
  59   ○   ○   ○   ○   ○
  60   ○   ○   ○   ○   ○
  61   ○   ○   ○   ○   ○
  62   ○   ×   ○   ×   ○
  63   ○   ×   ×   ×   ○
  64   ×   ○   ×   ○   ○
  65   ×   ○   ×   ○   ○
  66   ×   ○   ×   ○   ○
  67   ×   ○   ○   ○   ○
  68   ×   ○   ○   ×   ×
  69   ×   ○   ○   ×   ×
  70   ×   ×   ○   ×   ×
  71   ×   ×   ×   ×   ×
在修整CMP中，也可以证实本发明实施例中的浆料的效果。在浆料No.55的情况下，仅可以将Cu的表面凹陷抑制到不大于20nm，但是，对于其它项目，浆料No.55不能满足它们的需要。因为本实施例中构成第二低介电常数绝缘膜15的SiOC是疏水性膜，认为很难在液体润滑的条件下稳定地进行CMP。在其中结合聚硅氧烷树脂的样品No.64-71的情况下，工作台电动机的电流增加，因而可抑制绝缘膜的侵蚀的范围变窄。其原因归结于聚硅氧烷树脂的存在容易聚集胶体二氧化硅。
另一方面，在结合PVP的样品(即浆料No.57-61)中，只要其含量限定在0.01至0.3wt％的范围内，发现每一个项目都是OK。特别地，对于降低SiOC的抛光速度的效果以及增强在Cu和SiOC之间侵蚀的现象，发现有显著的提高。在PVP的含量不大于0.005wt％的样品No.56中，因为PVP的含量太少，不能充分得到改善工作台电动机的电流和侵蚀的效果。另一方面，在PVP的含量为0.5wt％或更多的样品No.62和No.63的情况下，增加了Cu的表面凹陷和缺陷，也增加了侵蚀。当与抛光特性一起考虑浆料的粘度时，重量平均分子量为40,000的PVP的含量应优选限定在基于浆料的总量0.01至0.1wt％的范围。
在本实施例的修整CMP中，尽管采用SiOC作为在该CMP中将要暴露的第二低介电常数绝缘膜，可以采用其它结构。也就是，在这样的结构中可以期望几乎相同的效果，其中研磨SiO2或研磨SiO2/SiOC叠层中的SiO2，并利用SiOC停止其研磨。已经证实，当在浆料中结合重量平均分子量为20,000的PVP时，与不含有PVP的浆料相比，SiO2的抛光速度可以减小到1/3至2/3的范围，并且SiOC的抛光速度可以减小到1/10或更小。根据绝缘膜的需要的抛光速度，PVP的含量可以调节到实用的范围之内。
如果在控制Cu、阻挡金属和绝缘膜的抛光速度的同时进行修整CMP，调节浆料的pH值到酸性区域也是有效的。此外，采用7-羟基-5-甲基-1，3，4-三氮吲哚利嗪作为水不溶性(第一)络合剂，以及采用选自邻苯二甲酸、草酸、柠檬酸、乳酸、醋酸、TMAH以及乙二胺的至少一种作为水溶性(第二)络合剂也是有效的。
为了比较，如下制备浆料，并将其用于在与上述相同的条件下进行修整CMP，从而研究浆料的特性。更具体地，根据与浆料No.59相同的配方制备浆料No.72，但是在浆料中不结合胶体二氧化硅。此外，根据与浆料No.59相同的配方制备三种浆料，但是采用初级颗粒尺寸不同的3.5wt％的胶体二氧化硅。更具体地，通过使用初级颗粒直径为3nm的胶体二氧化硅制备浆料No.73，通过使用初级颗粒直径为60nm的胶体二氧化硅制备浆料No.74，以及通过使用初级颗粒直径为100nm的胶体二氧化硅制备浆料No.75。
在不包含胶体二氧化硅的浆料(No.72)中，抛光作用变得不均匀，从而不能均匀地研磨各种宽度的图形。在胶体二氧化硅的初级颗粒直径小的浆料(No.73)中，获得与样品No.72几乎相同的结果，特别是导致对阻挡金属和SiO2的抛光作用的劣化。在其初级颗粒直径为60nm的浆料(No.74)中，表面凹陷和划痕变得显著，超过了其实用范围。如果进一步增大胶体二氧化硅的初级颗粒直径(No.75)，很难将抛光表面的Ra减小至3nm或更小，同时表面凹陷和划痕的量也显著增加，超过可接受的范围。
因为根据本发明的实施例的浆料含有重量平均分子量不小于20,000的、其量在基于浆料的总重量0.01至0.3wt％范围的PVP，它们可以稳定地被供给到抛光垫上，并且金属膜的抛光可以在低摩擦下稳定均匀地进行。
在金属膜或绝缘膜中不可能产生缺陷。此外，可以证实因为在浆料中结合的胶体二氧化硅的初级颗粒直径限定在5至50nm的范围，通过采用根据本发明的实施例的浆料，可以稳定抛光金属膜并将抛光表面的Ra限定在3nm或更小。除非完全满足包括PVP的重量平均分子量和含量以及胶体二氧化硅的初级颗粒直径的所有条件，否则不可能实现上述效果。
(实施例4)
参考图5和6说明本实施例。
首先，如图5所示，在其上形成有半导体元件(未示出)的半导体衬底10上形成SiO2的绝缘膜11，并且形成孔B作为凹槽。孔B的直径设定为0.1μm以及其覆盖率设定为25％。此外，沉积栓塞材料膜13a，其中阻挡膜12介于绝缘膜11和栓塞绝缘膜13a之间。阻挡金属12利用厚度为15nm的TiN膜形成，以及栓塞材料膜13a通过沉积厚度为150nm的W膜形成。随后，通过CMP选择性地去除包括栓塞材料膜和13a和阻挡金属12的金属膜19，从而在孔B中掩埋栓塞13，其中阻挡金属12介于其间，如图6所示。
如下进行金属膜19的CMP。也就是，首先，如图3所示，在以70rpm的速度旋转具有粘附到其上的抛光垫21的转台20的同时，使保持半导体衬底22的顶环23在200gf/cm2的抛光负荷下与转台20接触。顶环23的旋转速度设定为75rpm，并且将浆料27以200cc/min的流速从浆料供给管口25供给到抛光垫21上。利用如下所述的各种浆料和IC1000(RodelCo.，Ltd.)作为抛光垫进行抛光。如此进行抛光，以在除了用于其中去除用作栓塞材料膜13a的W膜并且暴露用作阻挡金属12的TiN膜的CMP需要的时间段之外，获得+50％的过抛光。
如下制备在抛光金属膜19中使用的浆料。首先，根据如下配方混合各成分和去离子水以获得浆料的原料液体。另外，各成分的含量表示基于浆料的总量的比率。
氧化剂：硝酸铁＝3wt％
保护膜形成剂：苯并三唑＝0.025wt％；丙二酸＝0.3wt％。
胶体二氧化硅：2.5wt％的缔合度为2并且初级颗粒直径为15nm的胶体二氧化硅；以及0.5wt％的缔合度为2并且初级颗粒直径为50nm的胶体二氧化硅。
此外，调节浆料的pH为2.2。
仅使用浆料的上述原料液体制备浆料No.76，以及通过在浆料中结合基于浆料的总量0.05wt％的PVP(重量平均分子量：100,000)作为水溶性聚合物制备浆料No.77。
通过使用这两种浆料，在上述条件下进行栓塞材料膜13a和阻挡金属12的CMP。然后，在以25％的覆盖率设置直径为0.1μm的栓塞的300μm×300μm的阵列部分的区域中，通过AFM进行对台阶部分的测量。结果，发现在不含有PVP的浆料No.76的情况下，发现高度为52nm的台阶部分。然而，在含有PVP的浆料No.77的情况下，台阶部分的高度为18nm，表明台阶部分的高度明显降低。只要台阶部分的高度限定为不高于20nm，不会对布线特性带来任何实质不利的影响，因此认为是可接受的。
(实施例5)
通过与上述实施例4中所述相同的步骤，除了阻挡金属12改变为厚度为10nm的Nb膜，以及栓塞材料膜13a改变为厚度为150nm的Al膜，形成如图5所示的结构。随后，通过CMP选择性地去除包括栓塞材料膜13a和阻挡金属12的金属膜19，从而在孔B中掩埋栓塞13，如图6所示。
如下进行金属膜19的CMP。也就是，首先，如图3所示，在以115rpm的速度旋转具有粘附到其上的抛光垫21的转台20的同时，使保持半导体衬底22的顶环23在150gf/cm2的抛光负荷下与转台20接触。顶环23的旋转速度设定为120rpm，并且将浆料27从浆料供给管口25以300cc/min的流速供给到抛光垫21上。利用如下所述的各种浆料和IC1000(RodelCo.，Ltd.)作为抛光垫进行抛光。如此进行抛光，以在除了用于其中去除用作栓塞材料膜13a的Al膜并且暴露用作阻挡金属12的Nb膜的CMP需要的时间段之外，获得+50％的过抛光。
如下制备在抛光金属膜19中使用的浆料。首先，根据如下配方混合各成分和去离子水，以获得浆料的原料液体。另外，各成分的含量表示基于浆料的总量的比率。
氧化剂：过硫酸铵＝1wt％。
保护膜形成剂：喹啉酸＝0.75wt％；十二苯基磺酸钾＝0.075wt％；甘氨酸＝1wt％。
胶体二氧化硅：5wt％的初级颗粒直径为10nm的胶体二氧化硅(以0.5wt％的比率结合初级颗粒直径为100nm的有机颗粒(PMMA)的复合颗粒)。
浆料的pH约为5。
仅使用浆料的上述原料液体制备浆料No.78，以及通过在浆料中结合基于浆料的总量0.05wt％的PVP(重量平均分子量：90,000)作为水溶性聚合物制备浆料No.79。
通过使用这两种浆料，在上述条件下进行栓塞材料膜13a和阻挡金属12的CMP。然后，在以25％的覆盖率设置直径为0.1μm的栓塞的300μm×300μm的阵列部分的区域中，通过AFM进行对台阶部分的测量。结果，发现在不含有PVP的浆料No.78的情况下，发现高度为35nm的台阶部分。然而，在含有PVP的浆料No.79的情况下，台阶部分的高度为20nm，表明台阶部分的高度明显降低。如上所述，只要台阶部分的高度限定为不高于20nm，不会对布线特性带来任何实质不利的影响，因此认为是可接受的。
在前述实施例中，采用Cu作为布线材料，采用W和Al作为栓塞材料，以及采用Ta、TiN和Nb作为阻挡金属。然而应该注意，根据本发明实施例的能够呈现浆料的效果的各种金属不限定为这些金属。
根据本发明实施例的浆料对于如下结构也是有效的，该结构包括Cu、Al、W、Ti、Ta、V、Mo、Ru、Zr、Mn、Ni、Fe、Ag、Mg、Si，以及包含任何这些元素的叠层，或甚至基本上不包括阻挡金属的结构。根据本发明实施例的浆料期望在抛光几乎任何金属时呈现几乎相同的效果。
根据本发明的一方面，可以提供一种用于金属膜的CMP浆料，其能够低摩擦地均匀并且稳定地抛光金属膜，而不引起金属膜或绝缘膜中的缺陷问题。根据本发明的另一方面，可以提供一种能够低摩擦地均匀并且稳定地抛光金属膜，而不引起金属膜或绝缘膜中的缺陷问题的方法。根据本发明的又一方面，可以提供一种制造半导体器件的方法，所述半导体器件具有镶嵌布线并呈现优良的可靠性。
其它优点和修改对于本领域的技术人员将显而易见。因此，本发明在其更宽的方面不限于这里示出和描述的具体细节和示例性实施例。由此，只要不脱离通过所附权利要求及其等同物限定的总发明构思的精神或范围，可以进行各种修改。

Claims (20)

1.一种用于金属膜的CMP浆料，包括：
水；
基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量为20,000或更大的聚乙烯基吡咯烷酮；
氧化剂；
保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及
初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
2.根据权利要求1的CMP浆料，其中以基于所述CMP浆料的总量0.01至0.1wt％的范围，在所述浆料中结合重量平均分子量不小于40,000的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
3.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述浆料具有小于2mPa·sec的粘度。
4.根据权利要求1的CMP浆料，其中氧化剂选自：过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化氢、硝酸铁、硝酸二铵铈、硫酸铁、臭氧和高碘酸钾。
5.根据权利要求1所述的CMP浆料，其中所述氧化剂的含量限定在基于所述CMP浆料的总量0.05至5wt％的范围内。
6.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述保护膜形成剂的含量限定在基于所述CMP浆料的总量0.001至3.0wt％的范围内。
7.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述第一络合剂包括具有至少一个N原子的杂环化合物。
8.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述第一络合剂的含量限定在基于所述CMP浆料的总量0.0005至2.0wt％的范围内。
9.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述第二络合剂选自：氨基酸、有机酸和碱式盐。
10.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述第二络合剂的含量限定在基于所述CMP浆料的总量0.0005至2.0wt％的范围内。
11.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述胶体二氧化硅包括初级颗粒直径在5至20nm范围内的第一胶体二氧化硅，以及初级颗粒直径在大于20至50nm范围内的第二胶体二氧化硅。
12.根据权利要求1的CMP浆料，其中所述胶体二氧化硅的含量限定在基于所述CMP浆料的总量0.05至10wt％的范围内。
13.根据权利要求1的CMP浆料，还包括至少一种水溶性聚合物化合物，其选自：基于炔属二醇的非离子、聚乙烯醇、纤维素、聚乙基亚胺、聚烷基醚和聚丙烯酸脂。
14.一种抛光方法，包括以下步骤：
将具有金属膜的半导体衬底与粘附到转台的抛光垫接触；以及
将金属膜CMP浆料供给到所述抛光垫上，以抛光所述金属膜，所述金属膜CMP浆料包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
15.根据权利要求14的方法，其中利用布线金属形成所述金属膜，以及在所述浆料中结合基于所述CMP浆料的总量0.03至0.3wt％范围的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
16.根据权利要求14的方法，其中利用阻挡金属形成所述金属膜，以及在所述浆料中结合基于所述CMP浆料的总量0.01至0.1wt％范围的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
17.一种用于制造半导体器件的方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上形成绝缘膜；
在所述绝缘膜中形成凹槽；
在所述凹槽内部以及在所述绝缘膜上沉积金属，以形成金属膜；以及
通过利用金属膜CMP浆料的CMP，去除在所述绝缘膜上沉积的至少部分所述金属，所述金属膜CMP浆料包括：水；基于所述浆料的总量0.01至0.3wt％的重量平均分子量不小于20,000的聚乙烯基吡咯烷酮；氧化剂；保护膜形成剂，包含用于形成水不溶性络合物的第一络合剂和用于形成水溶性络合物的第二络合剂；以及初级颗粒直径在5至50nm范围内的胶体二氧化硅。
18.根据权利要求17的方法，其中通过在所述绝缘膜上形成阻挡金属以及在所述阻挡金属上形成布线金属，形成所述金属膜。
19.根据权利要求18的方法，其中通过所述CMP将要去除的所述金属是所述布线金属，以及在所述浆料中结合基于所述CMP浆料的总量0.03至0.3wt％范围的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
20.根据权利要求18的方法，其中通过所述CMP将要去除的所述金属是所述阻挡金属，以及在所述浆料中结合基于所述CMP浆料的总量0.01至0.1wt％范围的所述聚乙烯基吡咯烷酮。
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